大容量電力電子系統電磁瞬態分析技術

張 倩

（三門峽職業技術學院，河南 三門峽 472000）

在我國現階段，隨著我國科學技術水平的不斷提高，我國應用與社會生產與生活的電力電子變換系統的總體容量也越來越大，且在不斷的上升。目前我國大部分大容量電力電子變換系統的功率等級，在一般情況下已經達到了上百kW、幾百kW，甚至已經上升到了MW以上，同時大多數大容量電力電子變換系統的電壓等級，已經不再是幾百V、kV，而是已經隨著社會發展的要求上升到了數十kV以上，電流容量也達到了幾百A或者是kA以上。近些年來，隨著世界各國對大容量電力電子裝置各項需求的不斷提高，如何提高大容量電力電子裝置系統應用水平以及運行的穩定性，已經成為國際電力電子研究領域最為重視的問題之一。

1 大容量電力電子技術存在的主要問題

根據我國現階段大容量電力電子技術的應用情況來看，其存在的問題主要集中在如下幾點：（1）缺乏對相關部件特性的掌握，主要是指半導體開關與高壓開關器件；（2）在設計主電路的過程中過度缺乏理想化，且缺乏有效的試驗數據；（3）在電磁過度的整體過程中，對于期間與相關裝置的描述缺乏一定的清晰性。上述幾個問題在大容量電力電子系統運行的過程中，不僅導致電磁瞬態過程缺乏科學的定量分析，同時也會在一定程度上增加大容量變換設計的難度。

與小容量電力電子變換系統相比，大容量電力電子變換系統具有較大的不同，有很多特征在小容量系統中并不明顯，但在大容量系統中該些特征就十分顯著。例如，半導體器件瞬態開關特性、脈沖瞬態過程以及電磁能量過渡等，上述特征主要的特征都表現在短時間尺度的電磁能量變換瞬態換流的整個過程當中，特別是對于每一個換流回路來說，其時間常數均各不相同，因此經常出現變換與能量失衡等問題，從而破壞部分器件與系統。在一般情況下，采用常規的分析方法不能有效的解決與緩解上述問題，例如集中電路參數、平均化模型以及開關函數等。在設計、制造大容量電力電子變換系統的過程中，主要是依靠裕度設計，憑借經驗運行，因此性能與可靠性在系統運行過程中的矛盾就越突出，且成為目前研制與應用大容量變換器過程中面臨的最大問題。

2 瞬態換流回路拓撲

瞬態拓撲及一體化母排思想在貫徹實施的過程中，主要分為兩大部分；第一部分要準確提取雜散參數；第二部分就是要對雜散參數影響的靈敏度分析。通過應用部分元等效電路法對電磁場的分析，就可以建立系統的母排機械結構，同時也能夠有效建立與瞬態拓撲之間的聯系。在進行分割時，要依據大尺寸母排的相關特征進行，并不是將其看成統一的整體。在對其實施優化與完善的過程中，要對母排的分布電容效應進行充分的分析與考慮，并要摒棄傳統的“降低雜散參數數值”思想，采用“雜散參數效應互補”的思想，從而在一定程度上加快雜散電感與雜散電容能量之間的交換速度。在IGBT變換器結構進行改進的過程中，采用瞬態拓撲及一體化母排技術不僅可以有效增強功率模塊結構的緊湊性、同時也可以提升功率密度。與國外同類功率模塊相比，該種技術的功率模塊性能較強，且各項指標均顯著較優，且具有較強的適應性。例如，雜散電感、關斷電壓峰值、以及系統功率密度等。指標對比結果如表1所示。

表1 功率模塊性能比較

3 主電路脈沖及其序列的調制技術

在電力電子變換系統中，脈沖調制技術是其最為基礎的控制技術。其長期應用過程中產生的脈寬調制（pulse width modulation，PWM）脈沖是建立在兩個方面。一方面是控制系統宏觀算法；另一方面就是理想開關器件特性，但其在實際應用的古城歐洲，由于開關器件的動作具有一定的非線性與連續性，因此控制系統運行過程中產生的理想脈沖與主電路脈沖存在較大的差異。特比是在大容量電力電子變換器的過渡期間，這種差異不僅會間接引發更多的異常脈沖，同時也會在一定程度上導致其產生畸變，嚴重的情況下會對相關器件與裝置造成損壞。從這些問題產生的機制以及相關現象出發，不僅要對死區、最小脈寬以及雜散參數等多種因素進行綜合考慮，同時也要考慮其對器件換流動態過程造成的影響。并對直接以主電路脈沖與其序列當做關鍵控制目標，對其進行直接的調制與控制，以此來進一步提高電力電子系統主電路脈沖精準度與控制速度。并深入貫徹于落實主電路脈沖調制技術與思想，將其廣泛的應用到各個領域當中，并根據不同領域的不同要求來對其調制方法進行相應的調整。例如，多電平變換器封脈沖策略、電機預勵磁技術等。通過采用主電路脈沖及其序列的調制技術實現的異步電機預勵磁方，不僅其變頻調速系統運行較為穩定，且其起動特性與國外同類產品相比具有較為顯著的優勢。

在高壓IGBT串聯中采用主電路脈沖調制技術，通過對該技術水平的不斷創新與完善，不僅在此基礎上研發出了門極有源箝位與門極主動控制相結合均壓方法，同時在降低器件與均壓電路損耗的前提下，也在一定程度上提升了串聯器件電壓的平衡度。

4 基于瞬態能量平衡的控制技術

應用電力電子變換系統最終的目的是為了更好的實現電磁能量變換，在這一過程中，閉環控制中的對象一般是電機電流以及電網電流等感性元件中的電流，同時也包括容性元件上的電壓，例如直流母線電壓。在動態過程中，不僅要對對象快速跟蹤其指令值進行合理的控制，同時在穩態期間也要對穩定指令值進行有效的控制。若站在能量的角度來看，并進行歸納，就可以將控制對象轉換成儲能元件中的瞬態電磁能量，并在動態期間，確保電磁儲能快速跟蹤能量指令值可以根據電磁儲能的穩定性要求，長時間保持其目標能量值。對于變換器來說，若其存在多組儲能元件以及具有多種不同性質的控制目標時，傳統的電壓閉環控制以及電流閉環控制就無法兼顧每一個方面，例如，在變換器運行過程中不僅要對電壓進行控制，同時也要控制其電流。站在能量角度來看，通過儲能元件中的能量，電壓和電流可以有效實現協調統一。瞬態能量平衡控制技術主要是指，電力電子變換系統在運行中的各個環節都能夠保持能量平衡，也就是指輸入與輸出、損耗與儲能等之間的能量平衡。這種控制思想是建立在電力電子變換器電磁能量變換本質的基礎之上的，其物理概念不僅較為明確，同時其模型的構建也較為簡單，在對各儲能元件的瞬態過程中進行充分的考慮就可以保持其良好的動態與穩態特性。

5 結語

總而言之，在我國市場經濟可持續發展的形勢下，電磁瞬態分析技術的應用水平不僅會直接影響到我國電力電子系統運行的穩定性，同時也會在一定程度上影響到大容量電力電子裝置的各項性能。因此，為了進一步提高電磁瞬態分析技術的適應性，滿足社會發展對于大容量電力電子系統的需求，首先就要對電磁瞬態分析技術進行深入的分析，并針對其應用過程中存在的一定的問題進行總結，以此來對該項技術進行不斷的優化與完善，并對其主電路脈沖及其序列的調制技術以及瞬態能量平衡的控制技術等核心技術進行深入的研發，從而有效提升大容量電力電子系統運行的穩定性與安全性，提升大容量電力電子變換系統的性能體育可靠性，促進我國經濟的進一步發展。